在電子電路設(shè)計(jì)中，精確檢測(cè)電流是許多應(yīng)用的關(guān)鍵需求。低側(cè)雙向電流檢測(cè)電路作為一種重要的電流檢測(cè)解決方案，能夠在特定范圍內(nèi)精確檢測(cè)負(fù)載電流。本文將詳細(xì)介紹一種單電源低側(cè)雙向電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)、電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)計(jì)算以及電路仿真等方面。

簡(jiǎn)介

該單電源低側(cè)雙向電流檢測(cè)解決方案具備高精度檢測(cè)能力，可以精確地檢測(cè) –1A 至 1A 的負(fù)載電流。其輸出的線性范圍為 110mV 至 3.19V。低側(cè)電流檢測(cè)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它可以將共模電壓保持在接近于接地值，這使得它在具有高總線電壓的應(yīng)用中尤為有用。在高總線電壓的系統(tǒng)中，低側(cè)檢測(cè)能夠有效降低對(duì)檢測(cè)電路的共模電壓要求，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖 1 低側(cè)雙向電流檢測(cè)電路示意圖

設(shè)計(jì)目標(biāo)

輸入?yún)?shù)

輸入電流的最小值 IiMin=?1A，最大值 IiMax=1A。這確定了檢測(cè)電路需要能夠準(zhǔn)確測(cè)量的電流范圍，是設(shè)計(jì)電路的重要依據(jù)。

輸出參數(shù)

輸出電壓的最小值 VoMin=110mV，最大值 VoMax=3.19V。輸出的線性范圍決定了檢測(cè)電路將輸入電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是評(píng)估電路性能的重要指標(biāo)。

電源參數(shù)

電源的負(fù)電壓 Vee=0V，正電壓 Vcc=3.3V，參考電壓 Vref=1.65V。這些電源參數(shù)為電路提供了穩(wěn)定的工作電壓，是電路正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如下所示。
在電路設(shè)計(jì)過程中，有一些重要的注意事項(xiàng)。為了最大程度地降低誤差，需要設(shè)置 R3=R1 且 R4=R2。同時(shí)，使用精密電阻器可以實(shí)現(xiàn)更高的精度，因?yàn)殡娮璧木戎苯佑绊懙诫娏鳈z測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，低側(cè)檢測(cè)并非適用于所有應(yīng)用場(chǎng)景，不應(yīng)在系統(tǒng)負(fù)載無法承受小接地干擾的應(yīng)用或需要檢測(cè)負(fù)載短路的應(yīng)用中使用。

設(shè)計(jì)計(jì)算

傳遞函數(shù)

該電路的傳遞函數(shù)為 Vo=(Ii?Rshunt?R3R4)+Vcc?(R5+R6R6)。這個(gè)傳遞函數(shù)描述了輸入電流 Ii 與輸出電壓 Vo 之間的關(guān)系，是計(jì)算電路參數(shù)的基礎(chǔ)。

最大分流電阻計(jì)算

最大分流電阻 Rshunt=IiMaxVshunt=100mΩ。分流電阻的選擇需要根據(jù)輸入電流的最大值和允許的電壓降來確定，以確保電路能夠正常工作。

基準(zhǔn)電壓電阻選擇

由于輸入電流范圍是對(duì)稱的，因此應(yīng)將基準(zhǔn)設(shè)置為中間電源。所以，使 R5 和 R6 的值相等，即 R5=R6=10kΩ。這樣可以確保在輸入電流為零時(shí)，輸出電壓處于合適的基準(zhǔn)值。

差分放大器增益計(jì)算

根據(jù)運(yùn)算放大器輸出擺幅設(shè)置差分放大器。在電源為 3.3V 的情況下，運(yùn)算放大器輸出可以從 100mV 擺動(dòng)至 3.2V。差分放大器的增益 Gain=Rshunt?(IiMax?IiMin)VoMax?VoMin=15.5VV，同時(shí) Gain=R1R4=15.5VV。通過這些計(jì)算，可以確定電阻 R1 和 R4 的值。

電阻值確定

根據(jù)增益計(jì)算結(jié)果，可得 R1=R3=1.3kΩ，R2=R4=15.5VV?1.3kΩ=20.15kΩ≈20kΩ。這些電阻值的確定是保證電路性能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。

電路仿真

為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性和性能，進(jìn)行了時(shí)域仿真和頻域仿真。

時(shí)域仿真

時(shí)域仿真結(jié)果可以直觀地展示電路在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)輸入電流的響應(yīng)。通過觀察輸出電壓隨時(shí)間的變化，可以評(píng)估電路的動(dòng)態(tài)性能，如響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等。

圖 17 時(shí)域仿真結(jié)果

頻域仿真

頻域仿真則可以分析電路在不同頻率下的響應(yīng)特性，包括增益、帶寬等。這對(duì)于評(píng)估電路的頻率響應(yīng)和抗干擾能力非常重要。

圖 18 頻域仿真結(jié)果